水下機(jī)器人在水利工程管理中的應(yīng)用

干佳馨 陳擎環(huán)

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321）

1 研究背景

江蘇省泰州引江河高港樞紐是國(guó)家南水北調(diào)東線源頭之一，由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、船閘和110kV 專用變電所等組成，年均向江蘇沿海調(diào)引長(zhǎng)江水50 多億立方米。泵站安裝立式開敞式軸流泵9 臺(tái)套，采用雙層X(jué) 型流道。節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量440 m3/s，調(diào)度閘和送水閘設(shè)計(jì)流量各100 m3/s。

高港樞紐以往對(duì)工程設(shè)施進(jìn)行水下例行檢查時(shí)，主要依靠潛水員在水下用手進(jìn)行探摸，因環(huán)境和工具等條件限制，只能對(duì)重點(diǎn)部位實(shí)施檢查，無(wú)法對(duì)工程全面檢查。而且工程有無(wú)異常情況或安全隱患全憑潛水員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏準(zhǔn)確可靠的材料支撐。

當(dāng)水下設(shè)施出現(xiàn)異常情況需要緊急排查時(shí)，潛水員下水存在準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、所需專業(yè)設(shè)備多、連續(xù)工作時(shí)間短、檢查成本高等缺陷。有時(shí)還會(huì)面臨水下環(huán)境復(fù)雜多變，長(zhǎng)江水質(zhì)渾濁，能見度低等安全問(wèn)題。在處理故障時(shí)，技術(shù)人員只能依靠潛水員的描述或攜帶水下照相機(jī)（攝像機(jī)）拍攝的畫面進(jìn)行大致判斷，有時(shí)需要多次操作才能解決故障。

另外，高港泵站結(jié)構(gòu)為X 型雙層流道，水泵主體均在水下，需要定期對(duì)各部件進(jìn)行檢查。每次均需先組織人員安裝3～4 臺(tái)潛井泵，打開檢修孔放泵排水，等流道排水結(jié)束后，再由技術(shù)人員進(jìn)入流道檢查，工作量大、周期長(zhǎng)、效率低。

針對(duì)水下檢查存在的這些難點(diǎn)，高港樞紐根據(jù)工程特點(diǎn)，引進(jìn)了一款水下機(jī)器人，用來(lái)檢查水下建筑物和設(shè)備情況。高港泵站流道如圖1 所示。

圖1 高港泵站流道示意圖

2 水下機(jī)器人組成

該水下機(jī)器人由四部分組成：岸上遠(yuǎn)程遙控裝置單元、凱夫拉零浮力線纜絞車系統(tǒng)、水下機(jī)器人單元和軟件應(yīng)用程序。

2.1 岸上遠(yuǎn)程遙控裝置單元

遠(yuǎn)程遙控裝置使用PLC 信號(hào)傳輸，通過(guò)線纜實(shí)現(xiàn)與水下機(jī)器人之間的通信控制。該遙控裝置集成WiFi 模組，可與手機(jī)平板等終端設(shè)備無(wú)線連接，把接收到的水下視頻、溫度和深度等資料傳輸?shù)浇K端設(shè)備，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)水下場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)可視化控制。

2.2 凱夫拉零浮力線纜絞車系統(tǒng)

此線纜用于岸上遙控器與水下機(jī)器人之間的通信連接，保證視頻回傳信號(hào)和機(jī)器人控制信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

2.3 水下機(jī)器人單元

針對(duì)長(zhǎng)江水流湍急，普通機(jī)器人水下難以持續(xù)定點(diǎn)作業(yè)的缺點(diǎn)，該水下機(jī)器人專門配置了9 軸姿態(tài)傳感器，可以偵測(cè)到機(jī)器人XY 三個(gè)維度的位置信息，MCU 控制芯片接收到信息后配合軟件算法，可實(shí)現(xiàn)多維度運(yùn)行姿態(tài)的實(shí)時(shí)偵測(cè)與調(diào)整，能解決擾流帶來(lái)的運(yùn)行不穩(wěn)問(wèn)題，確保機(jī)器人在水深30 米范圍內(nèi)能持續(xù)穩(wěn)定的工作。控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)圖

2.4 軟件應(yīng)用單元

在各個(gè)終端設(shè)備上的UI 交互界面簡(jiǎn)易方便，可實(shí)現(xiàn)零門檻操控水下機(jī)器人。

2.5 針對(duì)高港樞紐下游長(zhǎng)江水體渾濁，能見度低的特點(diǎn)，水下機(jī)器人加裝了4000 流明LED 補(bǔ)光燈，提供8 檔可調(diào)補(bǔ)光，保證水下觀測(cè)畫面明亮清晰。水下機(jī)器人主體如圖3 所示。

圖3

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 利用水下機(jī)器人檢查水泵水下部件

高港樞紐安裝葉輪直徑3m的立式開敞式軸流泵9 臺(tái)（設(shè)計(jì)流量35m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4m），流道結(jié)構(gòu)為雙向X 型，底層為進(jìn)水流道，上層為出水流道，通過(guò)閘門控制可雙向運(yùn)行，向外排澇，向內(nèi)灌溉。9 臺(tái)水泵機(jī)組主要受力轉(zhuǎn)動(dòng)部件位于水下且水泵運(yùn)行載體為流體,機(jī)組運(yùn)行時(shí)不但存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)振動(dòng),還會(huì)受到水流脈動(dòng)和氣蝕振動(dòng)等影響,為確保機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，水下部件的定期檢查尤為重要。2018 年，高港樞紐首次利用水下機(jī)器人進(jìn)入流道檢查水泵水下部件。技術(shù)人員結(jié)合X 形流道結(jié)構(gòu)圖，事先規(guī)劃好最佳行走路線，確定檢查方案。根據(jù)超短基線定位系統(tǒng)，分塊分段全面細(xì)致地檢查了水泵水下部件。畫面清晰顯示所有部件螺栓緊固完好，金屬部件表面少許銹蝕在允許范圍內(nèi)。整個(gè)檢查過(guò)程僅需2 人操作，用時(shí)45 分鐘。與此前檢查需要近10 人放泵排水，耗時(shí)2天相比，節(jié)省了大量人力、物力和時(shí)間。

3.2 利用水下機(jī)器人檢查閘門止水

閘門是水工建筑物的重要組成部分,閘門止水也是不可缺少的裝置，安裝設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)造成閘門損壞、閘門漏水、振動(dòng)、銹蝕和冬季結(jié)冰卡阻等，由此可見閘門止水是保證閘門能否有效地?fù)鹾?、引水，充分發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵。閘門運(yùn)行工需定期檢查閘門止水的整體性，檢查止水是否有斷裂或撕損、材料老化現(xiàn)象，檢查閘門止水與止水座板是否緊密，止水座板有無(wú)變形，固定螺栓有無(wú)銹蝕松動(dòng)。2019 年，值班人員在巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘閘門水下存在水泡和異響，懷疑閘門底部止水或門槽可能存在破損。技術(shù)人員操控水下機(jī)器人潛入水底檢查，發(fā)現(xiàn)止水與門槽結(jié)合部位有大量水泡翻騰，靠近觀察確定止水已局部破損。單位立即安排人員對(duì)閘門止水進(jìn)行及時(shí)維修，確保了工程安全。相比以往需要等待潛水員下水摸查，水下機(jī)器人確定故障位置快速準(zhǔn)確，傳送實(shí)時(shí)畫面清晰。

3.3 利用水下機(jī)器人檢查水下水工建筑物

水工建筑物經(jīng)常承受著水的作用。擋水建筑物承受著一定的水平靜水壓力、風(fēng)浪壓力、浮力、地震動(dòng)水壓力以及滲流產(chǎn)生的滲透壓力，對(duì)建筑物的穩(wěn)定性影響極大，水流滲入建筑物內(nèi)部及地基中，還可能產(chǎn)生侵蝕和滲透破壞；泄水建筑物的過(guò)水部分，還承受著水流的動(dòng)水壓力，高速水流還可能對(duì)建筑物產(chǎn)生空蝕、振動(dòng)以及對(duì)河床產(chǎn)生沖刷，存在安全隱患。故應(yīng)定期對(duì)水下水工建筑物進(jìn)行檢查。2020 年，汛前定期水下檢查時(shí)，潛水員經(jīng)探摸發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘長(zhǎng)江側(cè)翼墻與岸墻伸縮縫的填料疑似部分缺損，混凝土表面可能存在剝落，但因長(zhǎng)江水質(zhì)渾濁，難以判斷具體情況。為查清有無(wú)上述問(wèn)題，技術(shù)人員利用水下機(jī)器人對(duì)疑似區(qū)域進(jìn)行了檢查。在水流較快、干擾較大的情況下，技術(shù)人員短短幾分鐘就成功操控水下機(jī)器人到達(dá)指定位置，利用LED 補(bǔ)光燈和高清攝像頭，經(jīng)查看確認(rèn)填料無(wú)缺損，混凝土表面完整，工程完好。

4 功能特點(diǎn)

4.1 提供實(shí)時(shí)畫面，實(shí)現(xiàn)技術(shù)支持

水下機(jī)器人可對(duì)水下建筑物和設(shè)備等進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間全面拍攝，提供高清視頻，如圖4 所示可供多人同時(shí)在線分析，使技術(shù)人員對(duì)水下工程的狀況、發(fā)現(xiàn)的病險(xiǎn)隱患及其嚴(yán)重程度有直觀的了解，從而能快速做出準(zhǔn)確判斷。

圖4

4.2 操作快速便捷，安全經(jīng)濟(jì)高效

水下機(jī)器人在水面或水體中行進(jìn)速度快，能快速下潛或上浮，能實(shí)現(xiàn)定速巡航，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，操作方便。相比之前潛水員工作準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，所需專業(yè)設(shè)備多的缺點(diǎn)，水下機(jī)器人的引入，大大減少了工作量和成本，提高了工作效率和安全性。

4.3 方便資料收集，提升管理水平

水下機(jī)器人檢查畫面自動(dòng)存儲(chǔ)，結(jié)果同步保存，能夠獲得水下工程設(shè)施直觀具體的影像資料,方便各類檢查資料的收集,利于技術(shù)人員進(jìn)行分析研究，提升了工程管理科技水平。

5 結(jié)論

水下機(jī)器人在高港樞紐水利工程管理中的應(yīng)用，較之前潛水員作業(yè)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其直觀、高效、靈活、安全、可靠，減少了水下檢查的工作量，提高了工作效率，能獲得準(zhǔn)確可靠的檢查結(jié)果。使技術(shù)人員對(duì)水下工程的狀況有了直觀了解，為工程管理提供了技術(shù)支撐，進(jìn)一步保障了水利工程的安全運(yùn)行，未來(lái)水下機(jī)器人在水利工程中的應(yīng)用會(huì)更加智能化。